关于一种简易与快速平面度测量治具的介绍

李 勇

（中山复盛机电有限公司，广东中山 528437）

0 引言

在高速精密冲压行业，高速冲床是基本配置。该类冲床基本结构均为四面滑轨的龙门结构，刚性强、精度高，冲速快（800～1 200 r/min）[1]。但是，冲床床台表面在长期使用及高负荷冲击下，床台表面都会随着时间的推移发生磨损和变形，从而使平面度变差。平面度过差，会导致装夹到床台上的模具模板（模具上、下型）发生变形，上型的冲子与下型的凹模之间的相对位置精度则会发生严重偏移，轻则冲裁间隙不均匀、局部毛边过大，重则冲子刃口直接撞击凹模，导致冲子折断、凹模崩刃。此类异常状况的发生，对于品质要求极高的精密冲压产品、昂贵的精密冲压模具及高速冲床来说，均是极大的损失[2]。

所以，要定期对冲床的机械精度进行检测。其中，床台表面平面度精度的检测一直是行业中的一个难题。由于床台表面面积比较大（例如80 t冲床床台长宽约1 100 mm×800 mm），无法用标准刀口尺透光检测，若用水平仪逐段确认高低差、绘制曲线图形测量（或计算），不但操作步骤复杂、耗时长且对操作人员要求亦很高，不同操作者会产生不同的结果[3]。

图1 平面度误差示意图

1 平面度的概念

平面度是指被测实际表面对其理想平面的变动量，公差带是限定在两个距离为“t”的平行平面之间的区域，用符号“∥”表示[4]。

举例：某平台表面平面度要求为，它代表的含义是：该平台上的实际表面A全部要最小包容在两个相互平行的理想平面“M”和“N”之间，这两个理想平面之间的最小距离“t”，就是该平台表面A的平面度误差（如图1所示）。

2 简易、快速平面度测量治具基本结构

2.1 平面度测量治具详细结构

治具主体的基本功能是要夹持并定位各个百分表，固定2组各3颗等高块的位置尺寸，需要有较高刚性和尺寸稳定性。

本治具是为长宽约1 100 mm×800 mm的床台平面度测量使用的，所以设计外形尺寸长×厚×高为：1 022 mm×70 mm×188 mm，选用S50C材料并做调质处理。为减轻治具主体重量，中间设计10个椭圆形孔洞，上方设计5个长条形孔洞，各孔洞之间的实体材料设计为5 mm厚度均匀的加强筋以提高刚性[5]。各孔洞与治具主体左、右、上三面之间的实体材料设计成∮20mm粗的手柄（左右各1个，上方5个），手柄中心为空心。治具下表面（见图2中A向视图）长度方向中心对称分布着73个间距为10 mm的∮8.00 mm精孔，用于安装百分表并由相应的锁紧螺钉将其锁紧（见图2中左视图）。同时，在治具的底面左右两侧分别设计有左2颗右1颗共2组等块M、N（见图2中A向视图）。等高块M厚18.500 mm，左2颗与右1颗之间的间距是960 mm，用于测量床台长1 100 mm方向的直线度误差。等高块N厚17.500 mm，左2颗与右1颗之间的间距是740mm，用于测量床台长800 mm方向的直线度误差。

1.2 精度说明

治具主体外形六面体需要精密平面研磨，保证底面（安装等高块的面）平面度在0.01 mm以内。每组等高块等高度差异在0.002 mm以内，2组等高块之间高度差异为（1.000±0.002） mm[6]。

3 测量步骤

3.1 第一步：在测量治具主体合适的位置安装百分表

（1）用无尘纸沾湿酒精擦拭治具及等高块的所有表面。

（2）将治具放于将要测量的床台表面X（长度）方向，在治具底面的73个百分表夹持孔中，安装7～9个百分表。安装要求：从中心向两边选择孔位；在错开床台表面的T型槽的同时保证百分表之间的距离相等；百分表所安装的区域在床台表面Y方向宽度的范围内。

本例选择安装7个百分表，测量头预压表针约半圈，锁紧百分表确保其保持固定不动。如图3所示。

图2 平面度测量治具

3.2 第二步：确定各个百分表指针基准线

（1）将测量治具放在0级大理石平板上（本治具配合使用规格为1 000 mm×630 mm×130 mm花岗石平板，0级平板平面度误差≤6.0μm）[7]，治具底面最外缘3个等高块M与大理石平板接触并确定出一个理想平面。如图4所示。

（2）此时，若忽略0级大理石平板的平面度误差，则各个百分表测量头与大理石平面的接触点就在这3个等高块M确定的理想平面上。小心地转动各个百分表表圈使表盘0（或整数位）刻度线与指针重合，此时0（或整数位）刻度线即为各个百分表测量头与这3个等高块M确定的理想平面相重合的基准线[3]。如图5所示。

图3 在测量治具主体合适的位置安装百分表

图4 治具底面3个等高块与平板接触确定出一个理想平面

图5 百分表上基准线的确认

图6 床台表面与测量治具位置俯视图

3.3 第三步：测量床台表面X方向各选定位置直线度误差

（1）以床台表面Y方向宽度中心线为基准，向两边选定位置，所选定位置的中轴间距与治具上百分表之间的间距相等（本例选择7个位置，俯视图如图6所示。

（2）用测量治具分别测量、记录每一个位置上的各个百分表当前指针读数，与基准线读数的差值即为每一个测量位置的直线度误差。如图7所示。

（3）左右两个点M为直线度测量的两个基准点，记录都为“0”，除此之外，由左到右分别记录x12～x18、x22～x28…x62～x68、x72～x78。如图 8 所示。

图7 百分表检测每一个点的偏差

图8 床台表面平面度记录、计算表

3.4 第四步：测量床台表面Y方向各选定位置直线度误差

（1）以床台表面X方向宽度中心线为基准，向两边选定位置，所选定位置的中轴间距与治具上百分表之间的间距相等。本例选择9个位置，俯视图如图9所示。

（2）用测量治具分别测量、记录每一个位置上的各个百分表当前指针读数，与基准线读数的差值，即为每一个测量位置的直线度误差。如图10所示。注意：此时测量治具使用的是靠内的一组等高块N，等高块N与等高块M高度差（1.000±0.002）mm，所以百分表读数要减去1.000 mm。

（3）左右两个点N为直线度测量的两个基准点，记录都为“0”，除此之外，由上到下分别记录y21～y61、y22～y62……y28～y68、y29～y69。如图8 所示。

图9 床台表面与测量治具位置俯视图

3.5 第五步：计算每个交点在X、Y两个方向的综合高度差及整个床台表面的平面度误差

（1）计算每个交点在X、Y两个方向的综合高度差：z22=x22+y22、z23=x23+y23、…，以此类推，计算出所有交点的综合高度差。

（2）筛选出所有交点的综合高度差中的最高点和最低点，最高点与最低点的差值就是整个床台的平面度误差。

平面度误差t=MZ,max-NZ,min

（3）在EXCEL中做出表1所示的表格，按以上计算方法预先设置好公式，录入实际测量数据，即可直接得出平面度误差。

图10 百分表检测每一个点的偏差

4 测量原理

测量步骤第三步，用于测量床台表面X方向各选定位置的直线度误差；测量步骤第四步，用于测量床台表面Y方向各选定位置的直线度误差。由于X、Y方向各选定位置之间的间距等于测量治具上各百分表之间的间距，同时两种测量方式外缘对应的四角都是同一个位置；所以，这两种测量方式的叠加就是每一个测量点分别在X方向和Y方向测量值的叠加。如图11所示。

图11 每一点都是X、Y两方向测量值的叠加

5 结束语

该平面度测量治具以平面度很高的大理石平面为校准基准，利用其上分布的百分表做直线度误差显示，测量出X、Y平面上的几组直线度误差值，间接通过计算得出床台的平面度误差。解决了大尺寸床台无法用刀口尺或采用繁琐复杂的水平仪逐段确认高低差、绘制曲线图形测量（或计算）的方式的问题，精度上满足实际使用要求，且测量迅速、便捷，非常符合实务作业面的需求。